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Etcd集群的介绍和选主应用

原创 服务器/存储 作者:360云计算 时间: 0 删除 编辑

女主宣言

ETCD作为开源、分布式、高可用、强一致性的key-value存储系统,提供了配置共享和服务发现等众多功能。目前已广泛应用在kubernetes、ROOK、CoreDNS、M3以及openstack等领域。本文作者基于公司内部的场景需求,对etcd进行了介绍,并对选主机制进行了实践,下来就跟随作者一起学习下吧。



背景介绍

在实际生产环境中,有很多应用在同一时刻只能启动一个实例,例如更新数据库的操作,多个实例同时更新不仅会降低系统性能,还可能导致数据的不一致。但是单点部署也使得系统的容灾性减弱,比如进程异常退出。目前进程保活,也有很多方案,如supervisor和systemd。但是,如果宿主机down掉呢?所有的进程保活方法都会无济于事。本文基于etcd自带的leader选举机制,轻松的使服务具备了高可用性。


Etcd简介

Etcd是一个开源的、高度一致的分布式key-value存储系统。由Go语言实现,具有很好的跨平台性。主要用于配置共享和服务发现。通过raft算法维护集群中各个节点的通信和数据一致性,节点之间是对等的关系,即使leader节点故障,会很快选举出新的leader,保证系统的正常运行。目前已广泛应用在kubernetes、ROOK、CoreDNS、M3、openstack等领域。

特性:
  1. 接口操作简单,提供了http+json和grpc接口。
  2. 可选的ssl客户端认证,支持https访问。
  3. 每个实例支持1000的QPS,适用于存储数据量小但更新和访问频繁的数据。
  4. 数据按照文件系统的方式,分层存储,数据持久化。
  5. 监视特定的键或目录的变化,并对值的更改做出响应,适用于消息的发布和订阅。


Etcd架构及工作原理

架构


Etcd的架构如下图所示,主要分为四部分。HTTP server、Store、Raft和WAL。

  • HTTP server:为用户提供的Api请求。
  • Store:用于处理 etcd 支持的各类功能的事务,包括数据索引、节点状态变更、监控与反馈、事件处理与执行等等。
  • Raft:利用raft算法,保证节点之间数据的强一致性。
  • WAL:数据存储方式。通过 WAL 进行数据持久化存储。Snapshot 存储数据的状态快照;Entry 表示存储的具体日志内容。

工作原理



ETCD集群是一个分布式系统,每个ETCD节点都维护了一个状态机,并且存储了完整的数据,任意时刻至多存在一个有效的主节点。主节点处理所有来自客户端的读写操作。其中状态机的状态转换规则如下:

ETCD中每个节点的状态集合为(Follower、Candidate、Leader),集群初始化时候,每个节点都是Follower角色,当Follower在一定时间内没有收到来自主节点的心跳,会将自己角色改变为Candidate,并发起一次选主投票;当收到包括自己在内超过半数节点赞成后,选举成功;当收到票数不足半数选举失败,或者选举超时。若本轮未选出主节点,将进行下一轮选举。当某个Candidate节点成为Leader后,Leader节点会通过心跳与其他节点同步数据,同时参与竞选的Candidate节点进入Follower角色。


Etcd集群搭建及基本应用

部署环境



三台系统为centos7的虚机,IP地址如下:
10.143.74.108
10.202.252.147
10.202.254.213
下来以10.143.74.108为例,介绍安装与配置步骤。

一键安装etcd



1、创建安装脚本build.sh。

ETCD_VER=v3.4.7# choose either URLGOOGLE_URL=https://storage.googleapis.com/etcdGITHUB_URL=https://github.com/etcd-io/etcd/releases/downloadDOWNLOAD_URL=${GITHUB_URL}rm -f /tmp/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gzrm -rf /tmp/etcd-download-test && mkdir -p /tmp/etcd-download-testcurl -L ${DOWNLOAD_URL}/${ETCD_VER}/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gz -o /tmp/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gztar xzvf /tmp/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gz -C /tmp/etcd-download-test --strip-components=1rm -f /tmp/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gzcp /tmp/etcd-download-test/etcd /usr/binetcd --versioncp /tmp/etcd-download-test/etcdctl /usr/binetcdctl version

2、或者执行以下命令,脚本已上传到公网S3存储。

wget -qO- http://pub-shbt.s3.360.cn/v2s3/build-20200419214912.sh | bash

etcd配置和systemd保活



1、 创建etcd配置文件/etc/etcd/etcd.conf。

ETCD_NAME=instance01ETCD_DATA_DIR="/usr/local/etcd/data"ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="http://10.143.74.108:2379,http://127.0.0.1:2379"ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="http://10.143.74.108:2379"ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS="http://10.143.74.108:2380"ETCD_LISTEN_PEER_URLS="http://10.143.74.108:2380"ETCD_INITIAL_CLUSTER="instance01=http://10.143.74.108:2380,instance02=http://10.202.253.147:2380,instance03=http://10.202.254.213:2380"ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE=new

注释:
  • ETCD_NAME:本member的名称;
  • ETCD_DATA_DIR:存储数据的目录;
  • ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS:用于监听客户端etcdctl或者curl连接;
  • ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS: 本机地址, 用于通知客户端,客户端通过此IPs与集群通信;
  • ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS:本机地址,用于通知集群member,与member通信;
  • ETCD_LISTEN_PEER_URLS:用于监听集群中其它member的连接;
  • ETCD_INITIAL_CLUSTER:描述集群中所有节点的信息,本member根据此信息去联系其他member;
  • ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE:集群状态,新建集群时候设置为new,若是想加入某个已经存在的集群设置为existing。
2、 创建etcd的systemd配置文件 /usr/lib/systemd/system/etcd.service。
[Unit]
Description=Etcd Server
After=network.target
[Service]
Type=simple
WorkingDirectory=/var/lib/etcd/
EnvironmentFile=-/etc/etcd/etcd.conf
ExecStart=/usr/bin/etcd
KillMode=process
Restart=always
RestartSec=3
LimitNOFILE=655350
LimitNPROC=655350
PrivateTmp=false
SuccessExitStatus=143
[Install]
WantedBy=multi-user.target

3、 启动etcd。

systemctl daemon-reload

systemctl enable etcd.service

systemctl start etcd.service


4、 查看etcd集群状态。

HOST_1=10.143.74.108

HOST_2=10.202.253.147

HOST_3=10.202.254.213

ENDPOINTS=$HOST_1:2379,$HOST_2:2379,$HOST_3:2379

etcdctl -w table --endpoints=$ENDPOINTS endpoint status



5、 读写以及删除操作。

6、 watch监听操作。

至此,在10.143.74.108主机上,我们已经成功安装、启动etcd服务,并测试了基本的功能。其他两台机器的配置类似,在此不再做介绍。



Etcd选主在Go中的实践

什么是选主机制呢?举个例子,在军事演习中,我们总会发现某架预警机周围分布着多架战斗机和歼击机,他们统一听从预警机的调度,有序的完成消灭敌军的任务。那么在这个集群中,预警机就类似于我们选主中的master,某个集群有且只有一个master,完成任务的分发等工作,其他节点配合行动,当这个master节点挂掉之后,要能够立刻选出新的节点作为master。

下来我们一起看下项目中如何利用etcd的选主机制来实现应用的高可用吧。


1、安装clientv3。
go get "github.com/coreos/etcd/clientv3"


2、添加常量。

const prefix = "/nanoPing"
const prop = "local"
var leaderFlag bool


3、编写client节点竞选函数campaign。


func campaign(c *clientv3.Client, election string, prop string) {

   for {

      //gets the leased session for a client

      s, err := concurrency.NewSession(c, concurrency.WithTTL(15))

      if err != nil {

         log.Println(err)

         continue

      }

      //returns a new election on a given key prefix

      e := concurrency.NewElection(s, election)

      ctx := context.TODO()

      //Campaign puts a value as eligible for the election on the prefix key.

      //Multiple sessions can participate in the election for the same prefix,

      //but only one can be the leader at a time

      if err = e.Campaign(ctx, prop); err != nil {

         log.Println(err)

         continue

      }

      log.Println("elect: success")

      leaderFlag = true

      select {

      case <-s.Done():

         leaderFlag = false

         log.Println("elect: expired")

      }

   }

}


4、添加竞选成功后执行的动作run。

func run() {
      log.Println("[info] Service master")
      log.Println("[info] Task start.")
}


5、编写入口函数,创建client节点,参与竞选master,竞选成功,执行任务。

func Start() {

   donec := make(chan struct{})

   //create a client

   cli, err := clientv3.New(clientv3.Config{Endpoints: g.Config().Etcd.Addr,Username:g.Config().Etcd.User,Password:g.Config().Etcd.Password})

   if err != nil {

      log.Fatal(err)

   }

   defer cli.Close()

   go campaign(cli, prefix, prop)

   go func() {

      ticker := time.NewTicker(time.Duration(10) * time.Second)

      for {

         select {

         case <-ticker.C:

            {

               if leaderFlag == true{

                  run()

                  return

               }else{

                  log.Println("[info] Service is not master")

               }

            }

         }

      }

   }()

   <-donec

}


6、 测试运行结果。
选主成功的节点输出:

选主失败的节点输出:

Master节点进程退出后,之前的非master节点,自动竞选为master节点。



总结

通过etcd中的选主机制,我们实现了服务的高可用。同时利用systemd对etcd本身进行了保活,只要etcd服务所在的机器没有宕机,进程就具备了容灾性。当然,一个etcd集群,不仅仅可以对一个服务提供高可用,我们可以将多个服务注册在一个etcd集群中,同时利用etcd所提供的共享配置和服务发现,此外,etcd还有很多值得深入研究的技术,比如raft一致性算法等等,希望和大家能够一起深入交流。


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